[发明专利]开关半导体器件并联电路及其控制方法

说明书

本发明公开了功率开关半导体器件并联电路，在N个并联的功率开关半导体器件半桥中点连接N个换流电感，所有换流电感连接到输出端子并通过阻尼电阻与功率二极管半桥中点连接。将这些N个功率开关半导体器件半桥分成主桥臂和辅助桥臂两组，辅助桥臂在主桥臂开通之前开通，使得主桥臂的所有功率开关管实现零电压开通，辅助桥臂开关管实现零电压或零电流开通，显著减小功率开关管的开通损耗。利用换流电感与二极管的寄生输出电容进行谐振，实现输出端子电压的慢速变化，显著减小输出电压的dv/dt。本发明还公开了该电路的工作方法。

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，特别涉及一种开关半导体器件并联技术。

背景技术

近年来，可再生能源与电动汽车正在逐步取代传统化石能源与汽车，这项能源变革的实现需要高效率高功率密度电力电子变换器。作为电力电子变换器的主要器件，功率开关半导体器件的市场份额在不断提升。特别地，随着宽禁带功率开关半导体器件技术的不断成熟，其开关特性与可靠性在持续提升。然而，由于良品率、热管理和成本限制，宽禁带半导体裸片和分立器件的电流等级还比较低，如2020年10月发表在IEEE Transactions onPower Electronics第35卷，第10期，第10879-10891页的Design of a Paralleled SiCMOSFET Half-Bridge Unit With Distributed Arrangement of DC Capacitors中所述。因此，多个半导体裸片或分立器件的并联是一种低成本甚至不可避免的方案，如2020年2月发表在IEEE Trans.Ind.Electron.第67卷，第2期，第1508-1519页的“Imbalance CurrentAnalysis and Its Suppression Methodology for Parallel SiC MOSFETs With Aid ofa Differential Mode Choke”中所述。

由于静态和动态电气参数以及布局的不一致或不对称，并联的功率半导体开关管会承受不平衡的电流应力，因此其开关和导通损耗以及热应力也会不同，如2019年11月发表在IEEE Trans.Power Electron第34卷，第11期，第11026-11035页的“MagneticIntegration into a Silicon Carbide(SiC)Power Module for Current Balancing”中所述，从而恶化该并联系统的效率和可靠性。

为了改善并联功率半导体开关管的均流特性，学者提出采用主动驱动，例如发表在2018IEEE Transportation Electrification Conference and Expo,Asia-Pacific(ITEC Asia-Pacific),第1-5页的“The Cost-Efficient Gating Drivers with Master-Slave Current Sharing Control for Parallel SiC MOSFETs”中所述；以及增加无源器件的方法，例如2020年2月发表在IEEE Trans.Ind.Electron.第67卷，第2期，第1508-1519页的“Imbalance Current Analysis and Its Suppression Methodology for ParallelSiC MOSFETs With Aid of a Differential Mode Choke”，以及2019年11月发表在IEEETrans.Power Electron第34卷，第11期，第11026-11035页的“Magnetic Integration intoa Silicon Carbide(SiC)Power Module for Current Balancing”中所述。

虽然以上方法可以改善并联开关管的均流特性，但是在硬开关应用中，并联开关管的开关损耗依然较大。并且，由于快的开关速度，宽禁带半导体开关管的电压变化率(dv/dt噪声)较硅半导体开关管显著增加，其对电力电子系统的电磁兼容造成了更大的挑战。而现存的宽禁带半导体开关管并联方案无法显著减小开关管的电压变化率(dv/dt)。